AHP法和GIS技術在城鎮(zhèn)化空間發(fā)展分析中的應用
——以低山丘陵革命老區(qū)梓潼縣為例

楊 斌，顧秀梅，姜曉鵬

(1.西南科技大學環(huán)境與資源學院，綿陽 621010;2.北京師范大學水科學研究院，北京 100875;3.西南科技大學保密辦公室，綿陽 621010;4.中國海洋大學信息科學與工程學院，青島 266100)

AHP法和GIS技術在城鎮(zhèn)化空間發(fā)展分析中的應用
——以低山丘陵革命老區(qū)梓潼縣為例

楊 斌1，2，顧秀梅1，3，姜曉鵬4

(1.西南科技大學環(huán)境與資源學院，綿陽 621010;2.北京師范大學水科學研究院，北京 100875;3.西南科技大學保密辦公室，綿陽 621010;4.中國海洋大學信息科學與工程學院，青島 266100)

以低山丘陵革命老區(qū)四川省梓潼縣為研究區(qū)，將影響城鎮(zhèn)化空間發(fā)展因素分為交通、區(qū)域動力和地形3大類，分析并基于ASTER GDEM，ETM和基礎地理信息數(shù)據(jù)，提取出國道、省道、縣道、蔬菜果園區(qū)、生態(tài)旅游區(qū)、生態(tài)工業(yè)區(qū)、水系、坡度和地形起伏度9個因子;結合層次分析法模型計算這9個因子的權重，在ArcGIS 9.3中利用空間疊置分析法得出梓潼縣空間格局適宜性分級和分區(qū)圖。該方法的實現(xiàn)為科學定量評價低山丘陵革命老區(qū)城鎮(zhèn)化空間格局模式提供了一種全新的解決思路。

空間格局;層次分析法(AHP);GIS;評價模式;城鎮(zhèn)化

0 引言

隨著社會經(jīng)濟的飛速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，我國革命老區(qū)城鎮(zhèn)化建設進程得到了深入的發(fā)展。但革命老區(qū)大多位于低山丘陵地貌區(qū)，其城鎮(zhèn)化空間發(fā)展受到了空間格局和自然環(huán)境條件等因素的制約，面臨著許多困難和挑戰(zhàn)［1－2］。因此，對革命老區(qū)城鎮(zhèn)化形態(tài)特征和空間格局模式的分析研究已成為經(jīng)濟快速發(fā)展中的革命老區(qū)必須面對和解決的科學問題。層次分析法(analytical hierarchy process，AHP)以一種用定量和定性相結合的方式，分析與處理多目標、多層次復雜系統(tǒng)問題和難以完全用定量方法分析與決策的社會系統(tǒng)工程［3］，將AHP和空間定量分析數(shù)據(jù)集成應用到城鎮(zhèn)化空間格局模式中的研究目前還不多見［4］。

本文利用AHP遞階調(diào)用多層評價分析的特點，以低山丘陵革命老區(qū)——四川省梓潼縣為研究區(qū)，將城鎮(zhèn)化空間發(fā)展布局的內(nèi)外驅(qū)動力要素分解，構建城鎮(zhèn)化空間發(fā)展遞階層次結構模型，根據(jù)相應準則建立判斷矩陣求取對應要素權重，在ArcGIS軟件中加載相關數(shù)據(jù)和模型，通過空間分析獲取低山丘陵革命老區(qū)城鎮(zhèn)化空間發(fā)展趨勢結果圖，為探討經(jīng)濟相對落后的低山丘陵革命老區(qū)城鎮(zhèn)化空間發(fā)展模式分析提供一種全新的解決思路。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)源概況

梓潼縣位于四川盆地西北部丘陵向低山過渡地域，E104°51'16″～ 105°27'35″，N30°25'27″～ 31°25'43″之間?？h內(nèi)地勢以低山丘陵為主，東北高，西南低，中間夾一低凹的潼江河谷，東西橫剖面呈不對稱的馬鞍形，全境平均海拔高度約為600 m，東北部為海拔700 m以上的高丘、低山，西南部為海拔600 m以下的中、淺丘陵。根據(jù)地貌形態(tài)成因的區(qū)域相似性，從空間布局角度，將研究區(qū)分為潼江以西的丘陵區(qū)、潼江以東的高丘低山區(qū)和潼江河谷的平壩區(qū)3個不同的地貌區(qū)。梓潼縣不僅是擁有2300多年歷史的文化古鎮(zhèn)，還是四川省有名的紅色革命根據(jù)地之一，其戰(zhàn)略地位相當重要［5］。

結合梓潼縣空間區(qū)位特征，并充分考慮數(shù)據(jù)采集的可行性和定量分析的可操作性，研究所用信息主要來自研究區(qū) ASTER GDEM數(shù)據(jù)(圖1)、ETM(圖2)、國家1∶25萬基礎地理信息數(shù)據(jù)及部分專題地圖解譯數(shù)據(jù)等。對ASTER GDEM數(shù)據(jù)進行幾何糾正、投影轉(zhuǎn)換等處理，獲取了坡度、地形起伏度數(shù)據(jù);對ETM圖像進行分析識別，并經(jīng)實地調(diào)查，獲取研究區(qū)蔬菜果園、生態(tài)工業(yè)及旅游資源數(shù)據(jù);對國家基礎地理信息數(shù)據(jù)進行處理，獲取道路要素信息。

圖1 研究區(qū)ASTER GDEM數(shù)據(jù)Fig.1 ASTER GDEM data in the study area

2 遞階層次分析模型體系的構建

AHP可將各種因素層次化，并逐層比較多種關聯(lián)因素，為分析和預測事物的發(fā)展提供可靠的定量依據(jù)。主要步驟包括遞階層次結構模型、判斷矩陣的建立及其求值、一致性檢驗和綜合指數(shù)計算等運算過程［6－7］。首先，通過分析復雜問題所包含的因素及其相互關系，將問題分解為不同的要素，并將這些要素歸并為不同的層次，從而形成多層次結構;然后，在每一層次按某一規(guī)定準則對該層各元素進行逐對比較，建立判斷矩陣;最后，通過計算判斷矩陣的最大特征值及對應的正交化特征向量，得出各層要素對應準則的權重值［8－9］。

革命老區(qū)空間結構和發(fā)展模式涉及到諸多方面，其中自然環(huán)境和經(jīng)濟社會發(fā)展因素起到了決定性作用［10］。根據(jù)革命老區(qū)城鎮(zhèn)化自然形態(tài)特征的表現(xiàn)形式和經(jīng)濟社會發(fā)展制約要素的相關性規(guī)律特點，選取交通、區(qū)域動力和地形等影響城鎮(zhèn)化空間發(fā)展的3大類要素，并依次細化為國道、省道、縣道、蔬菜果園區(qū)、生態(tài)旅游區(qū)、生態(tài)工業(yè)區(qū)、水系、坡度和地形起伏度9個影響因子［11］;再根據(jù)AHP法建模思路，依次建立層次結構模型，構造相應的判斷矩陣，并最終求取各因子的權重值。

圖2 研究區(qū)ETM數(shù)據(jù)(5，4，3波段組合)Fig.2 ETM data in the study area(5，4，3 band combination)

首先要把問題條理化、層次化，構造一個有層次的結構模型;在這個模型下，復雜問題被分解為元素的組成部分;這些元素又按其屬性及關系形成若干層次，且上一層次的元素可作為準則對下一層次有關元素起支配作用［12］。這些層次可分為3類:第一類為最高層，只包含一個元素，一般是分析問題的預定目標或理想結果，也稱為目標層;第二類為中間層，包含為實現(xiàn)目標所涉及的中間環(huán)節(jié)，可以由若干個層次組成，包括所需考慮的準則、子準則，也稱為準則層或指標層;第三類為最底層，包括各種措施、決策方案等，也稱為措施層或方案層。

遞階層次結構中的層次數(shù)與問題的復雜程度及需要分析的詳盡程度有關，一般層次數(shù)不受限制。每一層次中所支配的元素一般不要超過9個，因為支配的元素過多會給兩兩比較判斷帶來困難。根據(jù)研究區(qū)確定的9個影響因子，結合空間格局形態(tài)模式評價指標，將指標體系分為目標層A、指標層(因素層)B和方案層C。具體層次結構如圖3所示。

圖3 梓潼縣城鎮(zhèn)化空間格局分級體系Fig.3 Hierarchical structure of urbanization spatial pattern of Zitong county

3 AHP方法的應用

3.1 判斷矩陣的構建

AHP方法要求逐層計算有關相互聯(lián)系的元素間影響的相對重要性，并予以量化，組成判斷矩陣，作為分析的基礎［13］。一般在構造判斷矩陣時常用的是 Satty提出的標度方法，即分別以 1，3，5，7，9 來標度2個元素之間的重要性程度［1］。

根據(jù)前人研究經(jīng)驗，雖然Satty的比例標度法在確定事物的排序上基本是合理的，但其對相互之間的重要性程度差異的描述與人的常識仍有一定偏差。例如，“稍微重要”的標度值為3，也就是將比“同樣重要”高3倍的情況認為是“稍微重要”，而“明顯重要”的標度值為5，與“稍微重要”的標度比為5/3=1.67，遠小于3，即“明顯重要”的事物與“稍微重要”的事物相比較得出的差異，還遠不能與“稍微重要”的事物與“同樣重要”的事物相比較得出的差異顯著，這是不合理的。本文結合汪樹玉［14］提出的改進的比例標度法，對其進行匯總(表1)，使得重要性等級之間數(shù)量差異能更接近于人們的量化概念。

表1 改進的比例標度法匯總Tab.1 Modified summary sheet of scaling method

本次研究使用的比例標度法為指數(shù)標度，即:按因子a比因子b的重要性，從“同等重要”到“極端重要”，只分別取 1，1.277，2.080，4.327 和 9.00;反之，若因子a比因子b次要，則取相應權重的倒數(shù)，因此構建了梓潼縣空間格局特征模式的判斷矩陣(表2)。

表2 梓潼縣空間格局特征模式判斷矩陣Tab.2 Judgment matrix of spatial characteristic poittern of Zitong county

3.2 特征向量及權重的計算

在城鎮(zhèn)化空間格局特征模式的研究過程中，利用方根法來計算判斷矩陣B的最大特征根及其對應特征向量［15］。

第一步，計算判斷矩陣每一行的元素乘積，即

第二步，計算Mi的m次方根，即

則W=(W1，W2，…Wm)T即為所求特征向量。

式(1)—(3)中:M為判斷矩陣行乘積;W為特征向量;m為矩陣列元素個數(shù);i為矩陣的行號數(shù);j為矩陣的列號數(shù)。經(jīng)計算，A—Bi矩陣的特征向量為:W=(0.074，0.105，0.052，0.107，0.168，0.239，0.046，0.117，0.092)，即為 B1～ B9分別對 A的權重，也就是國道因子對梓潼縣城鎮(zhèn)化空間格局變化影響的“貢獻”權重是 0.074，省道是0.105，縣道是 0.052，蔬菜果園區(qū)是 0.107，生態(tài)旅游區(qū)是0.168，生態(tài)工業(yè)區(qū)是 0.239，水系是 0.046，坡度是0.117，地形起伏度是 0.092。

4 梓潼縣空間格局評價分析

4.1 特征影響因子分析

通過因子多樣性對比分析，分別選取國道、省道、縣道作為交通要素特征因子，該類因子可以利用交通矢量圖層，通過矢柵轉(zhuǎn)換和空間插值方法提取;選取蔬菜果園區(qū)、生態(tài)旅游區(qū)、生態(tài)工業(yè)區(qū)、水系作為區(qū)域動力要素特征因子，該類因子可以利用該區(qū)域已有的城鎮(zhèn)化建設規(guī)劃和ETM數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)掃描和空間重分類提取;選取坡度和地形起伏度作為地形要素特征因子，該類因子可以利用等高線數(shù)據(jù)通過插值方法生成的DEM數(shù)據(jù)在ArcGIS平臺下進行歸類提取［16］。

4.2 城鎮(zhèn)化空間格局分析

在 ArcGIS Desktop 9.3平臺下，運用 Spatial Analysis Tool工具中的柵格計算器，將國道、省道、縣道、蔬菜果園區(qū)、生態(tài)旅游區(qū)、生態(tài)工業(yè)區(qū)、水系、坡度和地形起伏度9個因子進行加權空間疊置運算，在柵格計算器中輸入空間格局模式適宜性數(shù)據(jù)集的計算公式，即

式中:Ss為適宜性數(shù)據(jù)集;Rgd為國道圖層因子;Rsd為省道圖層因子;Rxd為縣道圖層因子;Rwater為水系圖層因子;Rstly為生態(tài)旅游區(qū)因子;Rscsg為生態(tài)工業(yè)區(qū)因子;Rslope為坡度因子;Rqfd為地形起伏度因子。

對以上所有圖層因子數(shù)據(jù)進行疊置分析，采用自然裂點法進行分類運算，得到梓潼縣城鎮(zhèn)化空間格局適宜性分區(qū)結果，將該結果導入ArcGIS Desktop 9.3平臺，進行數(shù)據(jù)的匹配和整合，生成研究區(qū)空間格局評價二維圖;將二維結果數(shù)據(jù)和數(shù)字高程模型(DEM)導入到ArcGIS Scene 9.3場景中，通過數(shù)據(jù)拉伸獲得研究區(qū)空間格局評價三維圖，具體實現(xiàn)過程如圖4所示。

圖4 城鎮(zhèn)化空間格局分析流程圖Fig.4 Flow chart of spatial pattern analysis in urbanization

圖5為研究區(qū)空間格局評價二維圖;圖6為研究區(qū)空間格局評價三維圖。

圖5 城鎮(zhèn)化空間格局評價二維圖Fig.5 2D map of urbanization spatial pattern

圖6 城鎮(zhèn)化空間格局評價三維圖Fig.6 3D map of urbanization spatial pattern

由于圖6是在三維視圖下生成的，所以視覺效果有些差異。

4.3 梓潼縣空間格局結果特征分析

通過對梓潼縣城鎮(zhèn)化空間格局二維圖和三維圖(圖5，圖6)的分析，結合自然區(qū)位特征，可以得出:

1)研究區(qū)內(nèi)城鎮(zhèn)化一級最優(yōu)發(fā)展區(qū)域均集中分布于國道、省道、縣道的交匯區(qū)，并呈現(xiàn)出一定的條帶狀特征，這充分體現(xiàn)出發(fā)展低山丘陵革命老區(qū)經(jīng)濟需優(yōu)先大力發(fā)展交通的重要性和必要性;

2)優(yōu)先發(fā)展的區(qū)域主要集中在坡度小于25°和相對高差較低的區(qū)域，這也充分體現(xiàn)出自然地形要素因子在城鎮(zhèn)化空間格局發(fā)展模式中的制約作用;

3)城鎮(zhèn)化空間優(yōu)先發(fā)展的適宜區(qū)主要集中在已有生態(tài)工業(yè)區(qū)與生態(tài)旅游區(qū)的周邊，這與加快革命老區(qū)經(jīng)濟發(fā)展和提升產(chǎn)業(yè)綜合化水平的政策一致。

5 結論

低山丘陵革命老區(qū)作為自然環(huán)境相對惡劣、經(jīng)濟條件相對落后的區(qū)域，其城鎮(zhèn)化空間格局發(fā)展受到各方面的限制。利用AHP方法和GIS技術，以四川省梓潼縣為研究區(qū)，從影響城鎮(zhèn)化空間格局發(fā)展特征因素研究入手，在GIS和RS技術支撐下提取出各評價因子數(shù)據(jù)，構建出多要素環(huán)境下的遞歸層次分析模型，最終在ArcGIS平臺上定量提取出梓潼縣城鎮(zhèn)化空間格局的二維圖和三維圖。

從結果分析來看，因子的篩選和提取是進行研究此類定量問題的前提，方法和模型的構建是研究的關鍵和核心，利用空間層次分析方法進行定量評價和科學描述是研究的落腳點。因此，將抽象的數(shù)學模型和空間信息表述技術集成應用到革命老區(qū)空間格局評價分析中，達到了較為理想的指導價值。該方法的嘗試亦為研究此類抽象問題提供了有效的解決途徑。

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The Application of AHP and GIS to the Analysis of Urbanization Spatial Development:A Case Study of Zitong County，a Low Mountain Hilly Old Revolutionary Base Area

YANG Bin1，2，GU Xiu － mei1，3，JIANG Xiao － peng4
(1.College of Environment and Resource，Southwest University of Science and Technology，Mianyang 621010，China;2.College of Water Sciences，Beijing Normal University，Beijing 100875，China;3.Confidentiality Office，Southwest University of Science and Technology，Mianyang 621010，China;4.College of Information Science and Engineering，Ocean University of China，Qingdao 266100，China)

With Zitong County in Sichuan Province，an old revolutionary base area，as the study area，the authors classified the factors affecting urbanization spatial development into three types，i.e.，traffic，regional dynamics and landform，and，on the basis of ASTER GDEM，ETM and basic geographic information data，extracted nine factors，namely national highway，provincial road，county road，vegetable orchid area，ecological tourism area，ecological industrial area，stream system，slope and degree of topographic relief.The weights of these factors were calculated in combination with Analytical Hierarchy Process(AHP)，and the spatial pattern adaptability gradation and zoning charts were compiled by means of spatial superimposition analysis in ArcGIS 9.3.The realization of this method has provided a entirely new workable means for scientific quantitative evaluation of urbanization spatial pattern model in the lower mountain hilly old revolutionary base area.

spatial pattern;AHP;GIS;evaluation model;urbanization

F 291;TP 79

A

1001－070X(2012)04－0169－06

2011－12－23;

2012－03－13

四川省教育廳人文社會科學重點研究基地四川革命老區(qū)發(fā)展研究中心資助項目(編號:SLQ2010C－05)和四川省教育廳重點基金項目(編號:11ZA135)共同資助。

10.6046/gtzyyg.2012.04.28

楊 斌(1979－)，男，博士，副教授，碩士生導師，西南科技大學環(huán)境與資源學院教師，北京師范大學環(huán)境科學與工程專業(yè)博士后，主要從事空間信息應用技術研究。E－mail:xjgis@126.com。

(責任編輯:李 瑜)